包括钻头本体的钻地旋转钻头以及用于形成该钻头的方法，该钻头本体包括增强钛或钛基合金基体材料.pdf

一种钻地旋转钻头包括钻头本体，该钻头本体包括复合材料，该复合材料具有散布在整个钛或钛基合金基体材料中的多个硬相区域或颗粒。钻头还包括布置在钻头本体的面上的切割结构。用于形成这种钻头的方法包括至少部分烧结多个硬颗粒以及多个包括钛或钛基合金材料的颗粒，以便形成包括颗粒基体复合材料的钻头本体。杆可以直接安装在钻头本体上。

1.  一种用于对地层钻孔的旋转钻头，该钻头包括：
钻头本体，该钻头本体包括颗粒基体复合材料，该复合材料包括散布在整个钛或钛基合金基体材料中的多个硬相区域；以及
至少一个切割结构，该至少一个切割结构布置在钻头本体的表面上。

2.  根据权利要求1所述的旋转钻头，还包括：杆，该杆直接安装在钻头本体的、包括颗粒基体复合材料的区域上。

3.  根据权利要求2所述的旋转钻头，还包括：至少一个保持部件，该保持部件穿过杆的外壁的至少一部分延伸，并抵靠钻头本体的至少一个表面，在杆、保持部件和钻头本体之间的机械干涉至少部分将杆固定在钻头本体上。

4.  根据权利要求1至3中任意一个所述的旋转钻头，其中：复合材料的钛或钛基合金基体材料包括α+β钛合金或β钛合金。

5.  根据权利要求1至4中任意一个所述的旋转钻头，其中：复合材料的钛或钛基合金基体材料包括至少大约87.5％重量的钛、大约6.0％重量的铝和大约4.0％重量的钒。

6.  根据权利要求1至5中任意一个所述的旋转钻头，其中：钛或钛基合金基体材料还包括至少微量的锡、铜、铁和碳中的至少一种。

7.  根据权利要求1至6中任意一个所述的旋转钻头，其中：所述多个硬相区域包括散布在整个钛或钛基合金基体材料中的以下组中的至少一种：多个碳化钛颗粒、多个硼化钛颗粒和多个钨颗粒。

8.  根据权利要求1至7中任意一个所述的旋转钻头，其中，钻头本体包括：
第一区域，该第一区域具有第一材料组分，第一区域的表面设置成承载用于与地层接合的多个切割元件；以及
第二区域，该第二区域具有与第一材料组分不同的第二材料组分。

9.  根据权利要求8所述的旋转钻头，其中：第一材料组分具有第一硬度，第二材料组分具有第二硬度，该第二硬度小于第一硬度。

10.  根据权利要求8或9所述的旋转钻头，其中：第一区域包括硬度大于大约350维氏硬度的α+β合金和β合金中的至少一种，第二区域包括断裂韧性大于大约100MP-m^1/2的α+β合金和β合金中的至少一种。

11.  根据权利要求8至11中任意一个所述的旋转钻头，其中：第二区域包括钛基β合金。

12.  根据权利要求11所述的旋转钻头，其中：第一区域包括钛基β合金和钛基α+β合金中的一种。

13.  根据权利要求8至10中任意一个所述的旋转钻头，其中：第二区域包括钛基α+β合金。

14.  根据权利要求13所述的旋转钻头，其中：第一区域包括钛基β合金和钛基α+β合金中的一种。

15.  根据权利要求1至14中任意一个所述的旋转钻头，还包括：布置在旋转钻头的表面的至少一部分上的一层氮化钛，其设置成在钻孔过程中与地层接合。

16.  根据权利要求1至15中任意一个所述的旋转钻头，其中：颗粒基体复合材料在室温下具有在大约7.5μm/m℃和9.5μm/m℃之间的的线性热膨胀系数。

17.  一种形成钻地旋转钻头的方法，该方法包括：
提供钻头本体，该钻头本体包括颗粒基体复合材料，提供钻头本体包括：
提供生粉末部件，该生粉末部件包括：
各自包括硬材料的多个颗粒；以及
各自包括钛或钛基合金材料的多个颗粒；
至少部分烧结生粉末部件；
提供杆，该杆设置成用于安装在钻杆柱上；以及
将杆直接安装在钻头本体上。

18.  根据权利要求17所述的方法，其中，至少部分烧结生粉末部件包括：
部分烧结该生粉末部件，以便形成半成品结构；
在该半成品结构中机械加工至少一个特征；以及
将该半成品结构烧结至所需的最终密度。

19.  根据权利要求17或18所述的方法，还包括：在钻头本体的表面的至少一部分上设置一层氮化钛，其设置成在钻孔过程中与地层接合。

20.  根据权利要求17至19中任意一个所述的方法，还包括：在至少部分烧结生粉末部件之前在生粉末部件中机械加工至少一个特征。

包括钻头本体的钻地旋转钻头以及用于形成该钻头的方法，该钻头本体包括增强钛或钛基合金基体材料
优先权
本申请要求未审定的美国专利申请No.11/593437的优先权，该美国专利申请No.11/593437的申请日为2006年11月6日。
技术领域
本发明通常涉及钻地旋转钻头，还涉及制造这种钻地旋转钻头的方法。更特别地，本发明通常涉及包括钻头本体的钻地旋转钻头，该钻头本体的至少一部分基本由颗粒基体复合材料形成，本发明还涉及制造这种钻地旋转钻头的方法。
背景技术
旋转钻头通常用于在地层中钻孔或钻井。旋转钻头包括两种主要结构。一种结构是牙轮(roller cone)钻头，它通常包括安装在从钻头本体伸出的支撑腿上的三个牙轮。各牙轮构造为绕支撑腿回转或旋转。齿设置在各牙轮的外表面上以切割岩石及其它地层。齿通常涂覆有耐磨硬质(“硬质焊敷”)材料。这种材料通常包括散布在整个金属合金基体材料中的碳化钨颗粒。也可选择，在各牙轮的外表面上设置凹窝(receptacles)，硬质金属镶插入件固定在该凹窝内以形成切割元件。在某些情况下，这些插入件包括形成和粘接在金属基质上的超级耐磨材料。牙轮钻头可以放入钻孔中，使得牙轮抵靠要钻进的地层。当钻头在向它施加重量的情况下旋转时，牙轮横过地层表面旋转，且齿压碎底侧的地层。
旋转钻头的第二种主要结构是固定切削刃钻头(通常称作“刮刀”钻头)，它通常包括固定到钻头本体表面区域上的多个切割元件。通常，固定切削刃型钻头的切割元件具有盘形或大体圆柱形状。硬质超级耐磨材料(例如，相互粘结的聚晶金刚石颗粒)可以设置在各切割元件的基本圆形端表面上以提供切割表面。这种切割元件通常称作“聚晶金刚石复合片”(PDC)切割件。切割元件可以与钻头本体分开制造并且固定在形成于钻头本体外表面上的凹部中。可以使用粘结材料例如粘结剂或者硬钎焊合金而将切割元件固定到钻头本体上。固定切削刃钻头可以放入钻孔中，使得切割元件抵靠要钻进的地层。当钻头旋转时，切割元件横向刮削和切断下面地层的表面。
通常，各主要结构的旋转钻头的钻头本体可以固定到硬化钢杆上，该硬化钢杆具有用于将钻头安装到钻杆柱上的美国石油学会标准(API)螺纹销。钻杆柱包括在钻头和位于地面的其它钻井设备之间首尾相连的管状管件和设备段。可以使用设备例如回转工作台或顶部驱动装置来使钻杆柱和钻头在钻孔内旋转。也可选择，钻头的杆可以直接联接到井下马达的驱动轴上，可以使用该驱动轴来使钻头旋转。
旋转钻头的钻头本体可由钢形成。也可选择，钻头本体可以由颗粒基体复合材料制成。这种颗粒基体复合材料通常包括随机散布在整个铜或铜基合金基体材料(通常称作“粘结剂”材料)中的硬质碳化钨颗粒。这种钻头本体通常通过在模具中将钢坯嵌置在碳化钨颗粒材料中并使粒状碳化钨材料由熔融的铜或铜基合金材料浸透而形成。相对于具有钢制钻头本体的钻头，具有由这种颗粒基体复合材料形成的钻头本体的钻头可以具有增强的耐腐蚀性和耐磨损性，但强度和韧性更低。
随着地下钻孔条件和要求变得越来越严格，本领域需要一种用于旋转钻头的钻头本体中的、新颖的颗粒基体复合材料，该颗粒基体复合材料具有改进的物理特性，并可以用于提高钻地旋转钻头的性能。
发明内容
在一个实施例中，本发明包括一种用于在地层中钻孔的钻地旋转钻头。钻头包括钻头本体，该钻头本体包括颗粒基体复合材料，该颗粒基体复合材料具有散布在整个钛或钛基合金基体材料中的多个硬颗粒或区域。钻头还包括在钻头本体的表面上的至少一个切割结构。
在另一实施例中，本发明包括钻地旋转钻头，该钻地旋转钻头包括具有不同材料成分的多个区域的钻头本体。例如，钻头的钻头本体可以包括具有第一材料成分的第一区域和具有第二材料成分的第二区域，该第二材料成分与第一材料成分不同。第一材料成分可以包括散布在整个钛或钛基合金基体材料上的多个硬颗粒或区域，而第二材料成分可以包括钛或钛基合金材料。而且，多个切割结构可以布置在钻头本体的表面上。
在还一实施例中本发明包括一种形成钻地旋转钻头的方法。该方法包括：提供生粉末组分，该粉末组分包括多个硬颗粒和多个包括钛或钛基合金材料的颗粒；至少部分烧结该生粉末组分，以便形成包括颗粒基体复合材料的钻头本体。设置成安装在钻杆柱上的杆可以直接安装在钻头本体上。
通过结合附图阅读下列详细说明，本领域技术人员可以清楚本发明的特征、优点和附加方面。
附图说明
尽管本申请最后具有特别指出和明确要求的作为本发明的权利要求，但是通过结合附图阅读下面对本发明的说明将更容易确定本发明的优点，附图中：
图1是实施本发明教导并包括具有颗粒基体复合材料的钻头本体的钻地旋转钻头的局部侧剖图；
图2是实施本发明教导并包括具有颗粒基体复合材料的钻头本体的另一钻地旋转钻头的局部侧剖图；
图3A-3J表示了可以用于形成图2所示的钻地旋转钻头的钻头本体的方法的一个实例；
图4A-4C表示了可以用于形成图2所示的钻地旋转钻头的钻头本体的方法的另一实例；
图5是图2中所示的杆的侧视图；
图6是图5中所示的杆沿图中所示的剖面线8-8的剖视图；
图7是包括颗粒基体复合材料和实施本发明教导的还一钻头本体的侧剖图；
图8是图7中所示的钻头本体沿图中所示的剖面线10-10的剖视图；以及
图9是包括颗粒基体复合材料和实施本发明教导的还一钻头本体的侧剖图。
具体实施方式
这里的图示不意味着任何特殊材料、设备、或方法的实际视图，而只是用于描述本发明的理想化表示。另外，附图之间共有的元件可以保持相同的数字编号。
在这里使用的术语“生”的意思是未烧结的。
在这里使用的术语“生钻头本体”的意思是未烧结的结构，它包括通过粘结剂材料保持在一起的大量离散颗粒，该结构的尺寸和形状为允许通过后续制造工艺(包括但不限于机加工和致密化)而由该结构制造适用于钻地钻头的钻头本体。
在这里使用的术语“半成品(brown)”的意思是局部烧结。
在这里使用的术语“半成品的钻头本体”的意思是局部烧结的结构，它包括至少一些已经局部生长在一起以提供在相邻颗粒之间的至少部分粘结的大量颗粒，该结构的尺寸和形状允许通过后续制造工艺(包括但不限于机加工和进一步致密化)而由该结构制造适用于钻地钻头的钻头本体。半成品钻头本体可以通过例如局部烧结生钻头本体而形成。
在这里使用的术语“材料组分”的意思是材料的化学组分和微结构。换句话说，具有相同化学组分但是有不同微结构的材料被认为是具有不同的材料组分。
在这里使用的术语“烧结”的意思是颗粒成分的致密化，它包括去除在开始颗粒(伴随着收缩)之间的至少一部分孔，这与在相邻颗粒之间的聚结和粘合进行组合。
图1表示了实施本发明教导的钻地旋转钻头10。钻头10包括钻头本体12，该钻头本体12包括颗粒基体复合材料15，该颗粒基体复合材料15包括散布在整个钛或钛基合金基体材料上的大量硬相颗粒或区域。硬相颗粒或区域中“硬”的意思是它们比周围的钛或钛基合金基体材料相对更硬。在一些实施例中，钻头本体12可以主要包括颗粒基体复合材料15，该颗粒基体复合材料15在后面更详细所述。钻头本体12可以固定在金属杆20上，该金属杆20可以由钢形成，并包括美国石油协会(API)规定的螺纹销28，用于将钻头10安装在钻杆柱(未示出)上。钻头本体12可以通过例如使用一个或多个保持部件46并结合硬钎焊和/或焊接而直接固定在杆20上，如后面更详细所述。
如图1中所示，钻头本体12可以包括翼片或刀片30，它们通过排屑槽32而相互分离。内部流体通道42可以在钻头本体12的面18和纵向孔40之间延伸，该纵向孔延伸通过钢杆20和至少部分通过钻头本体12。在一些实施例中，喷嘴插入件(未示出)可以在钻头本体12的面18处布置内部流体通道42内。
钻头10可以包括在它的面18上的多个切割结构。例如和非限定的，多个聚晶金刚石复合片(PDC)切刀34可以布置在各刀片30上，如图1中所示。PDC切刀34可以沿刀片30布置在形成于钻头本体12的面18中的凹部36内，并可以由扶壁38从后面支承，该扶壁38可以与钻头本体12形成一体。
钻头本体12的颗粒基体复合材料15可以包括散布在整个钛或钛基合金基体材料上的多个硬相区域或颗粒。例如和非限定的，硬相区域可以由多个硬颗粒形成，并可以包括大约20％和大约60％(容积)之间的颗粒基体复合材料15，且基体材料可以包括大约80％和大约40％(容积)之间的颗粒基体复合材料15。
在一些实施例中，钻头本体12的颗粒基体复合材料15可以包括陶瓷-金属复合材料(即“金属陶瓷”材料)。换句话说，硬相区域或颗粒可以包括陶瓷材料。
钛具有两个同素异形相：六边形紧密堆积的α相和体心立方β相。在市场上的纯钛中，α相在低于大约882℃的温度时稳定，而β相在大约882℃和市场纯钛的大约1668℃熔点之间的温度下稳定。已经确定，多种元素可以溶解在钛中以便形成固溶体，并可以影响α相或β相的稳定性。使α相稳定的元素在本领域中称为α稳定剂，而使β相稳定的元素在本领域中称为β稳定剂。例如，铝、镓、氧、氮和碳被认为是α稳定剂，而钒、钼、铌、铁、铬和镍被认为是β稳定剂。一些元素(包括例如锡和锌)进入具有钛的固溶体将不会明显使α相或β相稳定。这些元素可以称为中性合金元素。
可以制备多种钛基合金，该钛基合金包括一个或多个α稳定剂、一个或多个β稳定剂和/或一个或多个中性合金元素。这些钛基合金通常分类为α合金、近α合金、亚稳定β合金、β合金、α+β合金或铝化钛。α合金是单相合金，它是通过添加α稳定剂和/或中性合金元素而加强的固溶体。近α合金包括很少量的β稳定剂(通常在大约1和大约2原子百分数AT.％)。近α合金可以主要包括α相(α合金)，并有在最终微结构中的一些保留的β相(β合金或亚稳定β合金)。亚稳定β合金通常包括在大约10和大约15原子百分数之间的β稳定剂，且在室温下主要包括亚稳定(不平衡)β相。β合金包括足够量的β稳定剂(例如大约30原子百分数)，以便在室温下使得β相稳定。α+β合金包括大量的α相和β相(例如，α相和β相包括合金容积的至少大约10％)。铝化钛基于金属间化合的化合物Ti₃Al(通常称为α₂相)和TiAl(通常称为γ相)。
在本发明的一些实施例中，钛或钛基基体材料可以包括α+β钛合金。例如，钛或钛基基体材料可以包括至少大约87.5％重量的钛、大约6.0％重量的铝和大约4.0％重量的钒(这样的合金在本领域中通常称为Ti-6Al-4V或Ti-64合金)。这样的钛基合金还可以至少包括微量的以下至少一个：锡、铜、铁和碳。在一些实施例中，钛或钛基基体材料可以包括大约89.0％重量的钛(例如在大约88.0％重量和大约90.0％重量之间)、大约6.0％重量的铝和大约4.0％重量的钒。
下面的表1给出了α+β钛合金的多种组分实例，该α+β钛合金可以用作图1中所示的钻头本体12的颗粒基体复合材料15中的基体材料。

在本发明的附加实施例中，钛或钛基基体材料可以包括β钛合金或亚稳定β钛合金。下面的表2给出了β钛合金的多种组分实例，该β钛合金可以用作图1中所示的钻头本体12的颗粒基体复合材料15中的基体材料，且下面的表3给出了亚稳定β钛合金的多种组分实例，该亚稳定β钛合金可以用作图1中所示的钻头本体12的颗粒基体复合材料15中的基体材料。


在本发明的还一实施例中，钻头本体12的至少一部分包括钛或钛基基体材料，该钛或钛基基体材料包括α钛合金。下面的表4给出了α钛合金的多种组分实例(包括近α钛合金)，该α钛合金可以用作图1中所示的钻头本体12的至少一部分的颗粒基体复合材料15中的基体材料。

与表1-4中所提供的实例类似，钛基合金能够有超过1000兆帕(MPa)的最终抗张强度、大于大约100兆帕一平方根米(MPa-m^1/2)的断裂韧性和大于大约350(维氏硬度表)的硬度。
任意钛基合金(除了在表1-4中的实施例所提出的这些合金)可以用作在实施本发明教导的钻头本体(例如图1中所示的钻头10的钻头本体12)的颗粒基体复合材料15中的基体材料。
在一些实施例中，颗粒基体复合材料15的基体材料的至少一部分可以热处理，以便精制或调节基体材料的微结构，并根据需要使基本材料(因此颗粒基体复合材料15)具有一个或多个合适的物理特性。例如和非限定的，钛或钛基合金基体材料的至少一部分可以处于退火状态。通过退火钛或钛基合金基体材料，颗粒基体复合材料15的断裂韧性可以增大或以其它方式进行选择地调节。作为另一实例，钛或钛基合金基体材料的至少一部分可以处于固溶处理(ST)状态或者处于固溶和老化(STA)状态。通过固溶处理和老化钛或钛基合金基体材料，颗粒基体复合材料15的强度可以增大或以其它方式进行选择地调节。由于硬相(即陶瓷相)的相对稳定，这些热处理技术通常可以在颗粒基体复合材料15的钛或钛基合金基体材料上进行，而不会对颗粒基体复合材料15的硬相和/或在颗粒基体复合材料15的硬相和金属相之间的包围界面区域产生不利影响。
颗粒基体复合材料15的硬相区域可以包括多个碳化钛(TiC)颗粒、二硼化钛(TiB₂)颗粒和钨(W)颗粒中的至少一种。例如和非限定的，硬相区域可以包括大约20％容积和大约60％容积之间的颗粒基体复合材料15。在附加实施例中，硬相区域可以包括硅化钛(例如Ti₅Si₃和/或Ti₃Si)颗粒，该硅化钛颗粒例如通过在颗粒基体复合材料15的烧结和/或退火过程中使氮化硅(Si₃N₄)颗粒分解而形成。除了这里特别所述，在本发明实施例中可以使用增大颗粒基体复合材料15的耐磨性和与基体材料化学相容的任意硬相区域。
在一些实施例中，硬相区域可以有不同尺寸。而且，在一些实施例中，多个硬相区域可以包括或有多种形式的颗粒尺寸分布(例如两种形式、三种形式、四种形式、五种形式等)，而在另外的实施例中，硬相区域可以有基本均匀的颗粒尺寸。例如和非限定的，多个硬相区域可以包括多个-20ASTM(美国测试和材料协会)网状硬相区域。这里使用的术语“-20ASTM网状颗粒”的意思是通过ASTM No.20U.S.A标准测试筛网(在ASTM规范E11-04中确定，它的标题是StandardSpecificaton for Wire Cloth and Sieves for Testing Purposes)的颗粒。
各硬相区域可以有大致球形、矩形、立方形、五边形、六边形等的三维形状。而且，在一些实施例中，各硬相区域可以包括单晶。
继续参考图1，钻头本体12的外表面的至少一部分可以涂覆有耐磨涂层(未示出)。例如和非限定的，耐磨涂层可以包括形成于颗粒基体复合材料15的至少钛或钛基合金基体材料的暴露表面上或暴露表面中的一层氮化钛。该层氮化钛可以形成于颗粒基体复合材料15的、设置成与由钻头10钻孔的地层接合的暴露表面上或暴露表面中。在附加实施例中，耐磨涂层可以包括二硼化钛或者设置成提高颗粒基体复合材料15的耐磨性的任意其它材料。而且耐磨涂层可以关键性地布置在钻头本体的暴露表面的各个区域，以便保护颗粒基体复合材料15的、可能在钻孔过程中受到相对更大磨损的区域。例如，钻头本体12的面18(即刀片30的地层接合表面)可以至少局部涂覆或以其它方式提供有氮化钛或其它耐磨材料的涂层。特别是，刀片30的、在相邻切刀34之间的表面和切刀30的、沿旋转方向在切刀34后面的表面可以至少局部涂覆或以其它方式提供有氮化钛或其它耐磨材料的涂层。
在钻孔操作过程中，钻头10可以位于井孔的底部并旋转，同时钻井液通过纵向孔40和内部流体通道42而泵送至钻头本体12的面18。当PDC切刀34剪切或刮去底侧地层时，地层的切屑和岩屑与钻井液混合并悬浮在该钻井液中，该钻井液通过排屑槽32和在井孔和钻杆柱之间的环形空间而通向地层表面。
图2中表示了实施本发明教导的另一钻地旋转钻头70。旋转钻头70大致与前述旋转钻头10类似，并具有包括颗粒基体复合材料的钻头本体72，该颗粒基体复合材料包括散布在整个钛或钛基合金基体材料上的多个硬相区域或颗粒。钻头70还可以包括直接安装在钻头本体72上的杆20。杆20包括大致柱形的外壁，该外壁有外表面和内表面。杆20的外壁包围穿过钻头70延伸的纵向孔40的至少一部分。杆20的外壁的至少一个表面可以设置成用于将杆20安装在钻头本体72上。杆20还可以包括外螺纹或内螺纹的API螺纹连接部分28，用于将钻头70安装在钻杆柱(未示出)上。一个或多个孔21可以穿过杆20的外壁延伸。这些孔将在后面更详细介绍。
钻头70的钻头本体72包括具有不同材料组分的多个区域。例如和非限定的，钻头本体72可以包括具有第一材料组分的第一区域74和具有第二不同材料组分的第二区域76。第一区域74可以包括钻头本体72的纵向底侧和横向外侧的区域(即钻头本体72的冠区域)。第一区域74可以包括钻头本体72的面18(该面18可以设置成承载多个切割元件，例如PDC切刀34)。例如，多个凹部36和扶壁38可以布置在钻头本体72的面18上或面18中，用于承载和支承PDC切刀34。而且，多个刀片30和排屑槽32可以布置在钻头本体72的第一区域74中。第二区域76可以包括钻头本体72的纵向上侧和横向内侧的区域。纵向孔40可以至少部分穿过钻头本体72的第二区域76延伸。
第二区域76可以包括设置成用于将钻头本体72安装在杆20上的至少一个表面78。例如和非限定的，至少一个槽16可以形成于第二区域76的、设置成用于将钻头本体72安装在杆20上的至少一个表面14中。各槽16可以与穿过杆20的外壁延伸的孔21相对应和对齐。保持部件46可以布置在杆20内的各孔21中和各槽16中。在杆20、保持部件46和钻头本体72之间的机械干涉可以防止钻头本体72与杆20纵向分离，并可以防止钻头本体72相对于杆20绕旋转钻头70的纵向轴线L₇₀旋转。
在一些实施例中，旋转钻头70的钻头本体72可以主要包括颗粒基体复合材料。而且，颗粒基体复合材料的组分可以在钻头本体72内选择地变化，以便在钻头本体72内提供具有不同的、定制调节的物理特性或特征的各种区域。
在图2所示的实施例中，旋转钻头70包括两个保持部件46。例如和非限定的，各保持部件46可以包括细长的柱形杆，该柱形杆穿过杆20中的孔21和形成于钻头本体72的表面78中的槽16而延伸。
在杆20、保持部件46和钻头本体72之间的机械干涉也可以在杆20的表面和钻头本体72的第二区域76中的表面14之间提供基本均匀的空隙或间隙。例如和非限定的，当保持部件46布置在杆20的孔21中和钻头本体72的槽16中时，可以在杆20和钻头本体72之间提供在大约50微米(0.002英寸)和大约150微米(0.006英寸)之间的基本均匀间隙。
硬钎焊材料26(例如银基或镍基金属合金)可以布置在杆20和钻头本体72的第二区域76的表面14之间的基本均匀间隙中。作为硬钎焊的代替方式或者除了硬钎焊，可以环绕旋转钻头70在它的外表面上沿在钻头本体72和钢杆20之间的交界面提供焊缝24。焊缝24和硬钎焊材料26可以用于进一步将杆20固定在钻头本体72上。在该结构中，当钻头70在钻孔操作过程中位于井孔的底部时，如果在杆20和钻头本体72的第二区域76中的表面14之间的基本均匀间隙中的硬钎焊材料26以及焊缝24失效，保持部件46可以防止钻头本体72与杆20纵向分离，从而防止钻头本体72在井孔中的损失。
如前所述，钻头本体72的第一区域74可以有第一材料组分，钻头本体72的第二区域76可以有第二不同的材料组分。第一区域74可以包括颗粒基体复合材料，该颗粒基体复合材料包括散布在整个钛或钛基合金基体材料上的多个硬相区域或颗粒。钻头本体72的第二区域76可以包括金属、金属合金或颗粒基体复合材料。例如，钻头本体72的第二区域76可以主要包括与在第一区域74中的颗粒基体复合材料的基体材料基本相同的钛或钛基合金材料。在本发明的另外实施例中，钻头本体72的第一区域74和第二区域76可以基本由颗粒基体复合材料形成和至少主要由颗粒基体复合材料组成。
例如和非限定的，钻头本体72的第一区域74可以包括散布在整个基体材料上的多个碳化钛和/或二硼化钛区域或颗粒，该基体材料包括在表1中所述的α+β合金、在表2中所述的β合金或在表3中所述的亚稳定β合金中的任意一种，且钻头本体72的第二区域76可以包括在表4中所述的α合金中的任意一种。在附加实施例中，钻头本体72的第二区域74可以包括在表1中所述的α+β合金、在表2中所述的β合金或在表3中所述的亚稳定β合金中的任意一种。在该结构中，第一区域74的材料组分可以选择为具有比第二区域76的材料组分更高的抗腐蚀性和耐磨性。而且，第二区域76的材料组分可以选择为增强第二区域76的可机械加工性和方便钻头本体72安装在杆20上。
机械特性调节成方便第二区域76的机械加工的方式可以至少部分取决于使用的机械加工的方法。例如，当希望利用传统的车削、磨削和钻孔技术来机械加工第二区域76时，第二区域76的材料组分可以选择为具有更低的硬度和更高的延展性。当希望利用超声波机械加工技术(它可以包括使用传递给工具的超声波引起的振动)来机械加工第二区域76时，第二区域76的组分可以选择为有更高硬度和更低的延展性。
在一些实施例中，第二区域76的材料组分可以选择为具有比第一区域74的材料组分更高的断裂韧性。在还一实施例中，第二区域76的材料组分可以选择为具有调节成方便第二区域76的焊接的物理特性。例如和非限定的，第二区域76的材料组分可以选择为方便第二区域76焊接在杆20上。应当知道，钻头本体72的各种区域可以有选择或调节成具有任意所需的特殊物理特性或特征的材料组分，且本发明并不局限于将区域的材料组分选择或调节成具有这里所述的特殊物理特性或特征。
复合材料的某些物理特性和特征(例如硬度)可以利用合适的混合规则来确定，如本领域已知。复合材料的其它物理特性和特征可以不采取混合规则来确定。这些物理特性例如可以包括抗腐蚀性和耐磨性。
图3A-3J表示了可以用于形成图2中所示的钻头本体72的一个方法实例。通常，旋转钻头70的钻头本体72可以这样形成，即通过单独形成作为半成品结构的第一区域74和第二区域76，将半成品结构装配在一起以便提供整体的半成品钻头本体，并将整体的半成品钻头本体烧结成合适的最终密度。
参考图3A，第一粉末混合物109可以利用活动活塞或柱塞108而在模具或模106中被压制。第一粉末混合物109可以包括多个硬颗粒和多个包括钛或钛基合金基体材料的颗粒。例如和非限定的，第一粉末混合物109可以包括多个碳化钛和/或二硼化钛颗粒以及多个各自包括表1中所述的α+β合金、在表2中所述的β合金或在表3中所述的亚稳定β合金中的任意合金的颗粒。也可选择，粉末混合物109还可以包括通常在压制粉末混合物时使用的添加剂，例如用于在压制过程中提供润滑和用于向压制的粉末部件提供结构强度的粘接剂、用于使粘接剂更有柔韧性的增塑剂以及用于减小颗粒间摩擦的润滑剂或压紧辅助剂。
模具106可以包括内部空腔，该内部空腔的表面形成和设置成用于形成钻头本体72的第一区域74的至少一些表面。柱塞108还可以有设置成形成钻头本体72的第一区域74的至少一些表面的表面。插入件或者置换件107可以定位在模具106中，并用于确定内部流体通道42。附加置换件107(未示出)可以用于确定切割元件凹部36、排屑槽32和钻头本体72的第一区域74的其它形态特征。
柱塞108可以利用机械或液压设备或机器在很高力作用下前进至模具106中，以便在模具106中压紧第一粉末混合物109，从而形成第一生粉末部件110，如图3B中所示。模具106、柱塞108和第一粉末混合物109可以在压紧处理过程中选择地加热。
除了压制粉末混合物109的方法，粉末混合物109可以通过布置在压力腔室内的柔韧、气密密封容器内部的基本均衡压力来压制。
图3B中所示的第一生粉末部件110可以包括通过布置在粉末混合物109中的粘接剂材料(图3A)而保持在一起的多个颗粒(硬材料的硬颗粒和基体材料的颗粒)，如前所述。某些结构特征可以利用传统的机械加工技术(例如包括车削技术、磨削技术和钻孔技术)而在生粉末部件110中进行机械加工。手持工具也可以用于在生粉末部件110中或该粉末部件110上手工形成特征。例如和非限定的，排屑槽32(图2)可以机械加工或以其它方式形成于生粉末部件110中。
图3B中所示的第一生粉末部件110可以至少部分烧结。例如，生粉末部件110可以部分烧结，以便形成图3C中所示的第一半成品结构111，该第一半成品结构小于所需的最终密度。在烧结之前，生粉末部件110可以适度升高温度，以便帮助除去将包含于粉末混合物109(图3A)中的任意易变的添加剂，如前所述。而且，生粉末部件110可以进行合适的气体调节，以便帮助除去该添加剂。这样的气体例如可以包括在大约500℃温度下的氢气。
某些结构特征可以使用传统的机械加工技术(例如包括车削技术、磨削技术和钻孔技术)而在第一半成品结构111中进行机械加工。手持工具也可以用于在半成品结构111中或该半成品结构111上手工形成特征。例如和非限定的，切刀凹部36可以机械加工或以其它方式形成于半成品结构111中，以便形成图3D所示形状的半成品结构112。
参考图3E，第二粉末混合物119可以利用活动活塞或柱塞118而在模具或模116中压制。第二粉末混合物119可以包括多个包括钛或钛基合金基体材料的颗粒，并可选择地包括多个包含硬材料的硬颗粒。例如和非限定的，第二粉末混合物119可以包括多个各自包括表4中所述的α合金中的任意合金的颗粒。作为附加实例，第二粉末混合物119可以包括多个各自包括表1中所述的α+β合金、在表2中所述的β合金或在表3中所述的亚稳定β合金中的任意合金的颗粒。在一些实施例中，第二粉末混合物119可以基本类似于前面参考图3A所述的第一粉末混合物109，除了在第二粉末混合物119中没有多个硬颗粒(例如碳化钛和/或二硼化钛)。也可选择，粉末混合物119还可以包括通常在压制粉末混合物时使用的添加剂，例如用于在压制过程中提供润滑和用于向压制的粉末部件提供结构强度的粘接剂、用于使粘接剂更有柔韧性的增塑剂以及用于减小颗粒间摩擦的润滑剂或压紧辅助剂。
模具116可以包括内部空腔，该内部空腔的表面形成和设置成用于形成钻头本体72的第二区域76的至少一些表面。柱塞118还可以有设置成形成钻头本体72的第二区域76的至少一些表面的表面。一个或多个插入件或者置换件117可以定位在模具116中，并用于确定内部流体通道42。附加置换件117(未示出)可以用于根据需要确定钻头本体72的第二区域76的其它形态特征。
柱塞118可以利用机械或液压设备或机器在很高力作用下前进至模具116中，以便在模具116中压紧第二粉末混合物119，从而形成第二生粉末部件120，如图3F中所示。模具116、柱塞118和第二粉末混合物119可以在压紧处理过程中选择地加热。
图3F中所示的第二生粉末部件120可以包括通过布置在粉末混合物119中的粘接剂材料(图3E)而保持在一起的多个颗粒(钛或钛基合金基体材料颗粒以及可选择的、包括硬材料的硬颗粒)，如前所述。某些结构特征可以根据需要利用传统的机械加工技术(例如包括车削技术、磨削技术和钻孔技术)而在生粉末部件120中进行机械加工。手持工具也可以用于在生粉末部件120中或该粉末部件120上手工形成特征。
图3F中所示的第二生粉末部件120可以至少部分烧结。例如，生粉末部件120可以部分烧结，以便形成图3G中所示的第二半成品结构121，该第二半成品结构小于所需的最终密度。在烧结之前，生粉末部件120可以进行适度升高温度，以便烧掉或除去将包含于粉末混合物119(图3E)中的任意易变的添加剂，如前所述。
某些结构特征可以使用传统的机械加工技术(例如包括车削技术、磨削技术和钻孔技术)而按照需要在第二半成品结构121中进行机械加工。手持工具也可以用于在半成品结构121中或该半成品结构121上手工形成特征。
然后，图3G中所示的半成品结构121可以插入先前形成的半成品结构112(如图3D中所示)中，以便提供整体的半成品钻头本体126，如图3H所示。然后，整体的半成品钻头本体126可以完全烧结成所需的最终密度，以便提供如前所述的钻头本体72，如图2中所示。因为烧结涉及致密化和除去在结构中的孔隙，因此烧结的结构将在烧结处理过程中收缩。结构可能在烧结过程中经历例如在10％和20％之间的线性收缩。因此，当设计在结构(该结构没有完全烧结)中的工具(模具、模等)或机械加工特征时要考虑和说明尺寸收缩。
在另一方法中，图3F中所示的生粉末部件120可以插入图3B中所示的生粉末部件110或与该生粉末部件110进行装配，以便形成生钻头本体。然后，生钻头本体可以根据需要机械加工和烧结成合适的最终密度。生粉末部件110和生粉末部件120的交界表面可以在烧结处理过程中熔合和粘接在一起。换句话说，生钻头本体可以部分烧结成半成品钻头本体。成形和机械加工处理可以根据需要在半成品钻头本体上进行，且这时形成的半成品钻头本体可以烧结成所需的最终密度。
第一区域74的材料组分(因此图3A中所示的第一粉末混合物109的组分)和第二区域76的材料组分(因此图3E中所示的第二粉末混合物119的组分)可以选择为在烧结处理过程中有基本类似的收缩。
这里所述的烧结过程可以包括在真空炉中的普通烧结，在真空炉中烧结随后进行普通的热均衡压制处理，以及烧结和随后立即在接近烧结温度的温度下进行均衡压制(通常称为烧结-HIP)。而且，这里所述的烧结处理可以包括在液相线以下烧结。换句话说，烧结处理可以在接近但低于基体材料的相图的液相线的温度下进行。例如，这里所述的烧结处理可以利用本领域普通技术人员已知的多种不同方法来进行，例如瞬间多向挤压(ROC)处理、Ceracon^TM处理、热等静压(HIP)处理或这些处理的改进。
广义地说，例如，使用ROC处理烧结生粉末压紧件包括在相对较低的温度预烧结该生粉末压紧件至这样的程度，即只是形成足够强度以便能够处理该粉末压紧件。所形成的半成品结构包入材料例如石墨箔中以便密封该半成品结构。包装的半成品结构布置在容器中，该容器充满硬材料、聚合物材料或玻璃材料的颗粒，该材料具有比半成品结构中的基体材料基本更低的熔点。容器加热至合适的烧结温度，该烧结温度高于陶瓷、聚合物或玻璃材料的颗粒的熔融温度，但是低于半成品结构中的基体材料的液相线温度。具有熔融的陶瓷、聚合物或玻璃材料(和浸入其中的半成品结构)的加热容器置于机械或液压机中，例如锻压机，它用于向熔融的陶瓷或聚合物材料施加压力。在熔融陶瓷、聚合物或玻璃材料中的均衡压力有利于半成品结构在容器内在升高温度下凝固和烧结。熔融的陶瓷、聚合物或玻璃材料用于向半成品结构传递压力和热量。这样，熔融陶瓷、聚合物或玻璃用作压力传递介质，压力在烧结过程中通过压力传递介质施加在结构上。在释放压力和冷却之后，烧结结构再从陶瓷、聚合物或玻璃材料中取出。ROC处理的更详细解释和用于实施该ROC处理的合适设备在美国专利No.4094709、4233720、4341557、4526748、4547337、4562990、4596694、4597730、4656002、4744943和5232522中提供。
Ceracon^TM处理(它与前述ROC处理类似)也可以用于本发明中，以便将半成品结构充分烧结至最终密度。在Ceracon^TM处理中半成品结构涂覆有陶瓷涂层例如氧化铝、氧化锆或氧化铬。其它类似的、硬的、大致惰性的、防护的和可除去的涂层也可以使用。通过利用陶瓷颗粒(代替流体介质，与ROC处理中相同)来将至少基本均衡的压力传递给涂覆的半成品结构，涂覆的半成品结构将充分凝固。Ceracon^TM处理的更详细说明将由美国专利No.4499048来提供。
如前所述，钻头本体72的第二区域76的材料组分可以选择为即使在完全烧结状态下也有利于在该第二区域76上执行机械加工操作。在将图3H中所示的整体半成品钻头本体126烧结成合适的最终密度后，某些特征可以在完全烧结的结构上机械加工，以便提供钻头本体72，该钻头本体72在图3I中与杆20(图2)分开表示。例如，钻头本体72的第二区域76的表面14可以进行机械加工，以便提供用于将杆20(图2)安装在钻头本体72上的元件或特征。例如和非限定的，可以在钻头本体72的第二区域76的表面78中机械加工两个槽16，如图3I中所示。各槽16例如可以有半圆形截面。而且，各槽16可以绕钻头本体72的第二区域76的一部分径向延伸，如图3J所示。在该结构中，钻头本体72的第二区域76的、在各槽16中的表面可以有包括局部环面的角形部分的形状。这里使用的术语“超环面”的意思是由封闭曲线(例如圆)绕(但是并不相交或包含)布置在包括该封闭曲线的平面中的轴线旋转而产生的表面。在另外的实施例中，钻头本体72的第二区域76的、在各槽16中的表面可以具有大体形成部分柱体的形状。两个槽16可以位于钻头本体72的第二区域76的基本相对侧，如图3J中所示。
如这里所述，钻头本体72的第一区域74和第二区域76可以单独形成为半成品状态，并装配在一起以便形成整体的半成品结构，该半成品结构可以再烧结成合适的最终密度。在形成钻头本体72的另外方法中，第一区域74可以这样形成，即通过在模具中压制第一粉末混合物以便形成第一生粉末部件，将第二粉末混合物添加至相同模具中，并在该模具中使得第二粉末混合物与第一区域74的第一粉末成分一起压制，以便形成单件式生钻头本体。而且，第一粉末混合物和第二粉末混合物可以布置在单个模具中和同时压制，以便形成单件式生钻头本体。然后，该单件式生钻头本体可以根据需要机械加工和烧结成合适的最终密度。在还一方法中，单件式生钻头本体可以部分烧结成半成品钻头本体。成形和机械加工处理可以根据需要在半成品钻头本体上进行，且形成的半成品钻头本体可以再烧结成合适的最终密度。单件式生钻头本体可以利用两个不同柱塞而形成于单个模具中，例如图3A中所示的柱塞108和图3E中所示的柱塞118。而且，根据需要可以提供附加粉末混合物，以便在钻头本体72内提供具有一定材料组分的任意合适数目的区域。
图4A-4C表示了形成钻头本体72的另一方法。通常，旋转钻头70的钻头本体72可以通过压制前述第一粉末混合物109(图3A)和前述第二粉末混合物119(图3E)以便形成大致柱形的单件式生钻头本体130或坯料而形成，如图4A中所示。例如和非限定的，大致柱形的单件式生钻头本体130可以通过使得第一粉末混合物109和第二粉末混合物119一起在压力腔室内基本同时地均衡压制而形成。
例如和非限定的，第一粉末混合物109和第二粉末混合物119可以布置在容器中。容器可以包括可变形流体密封部件，例如包括可变形聚合物材料的基本柱形包。容器(其中装有第一粉末混合物109和第二粉末混合物119)可以布置在压力腔室中。流体例如水、油或气体(例如空气或氮气)可以利用泵而泵送至压力腔室中。流体的高压使得可变形部件的壁变形。压力可以基本均匀地传递给第一粉末混合物109和第二粉末混合物119。在均衡压制过程中在压力腔室中的压力可以大于大约35兆帕(大约5000磅每平方英寸)。特别是，在均衡压制过程中在压力腔室内的压力可以大于大约138兆帕(20000磅每平方英寸)。在另外的方法中，在容器中可以提供真空，且大于大约0.1兆帕(大约15磅每平方英寸)的压力(例如大气)可以施加在容器的外表面上，以便压紧第一粉末混合物109和第二粉末混合物119。第一粉末混合物109和第二粉末混合物119的均衡压制可以形成图4A中所示的大致柱形单件式生钻头本体130，它可以在压制后从压力腔室中除去。
图4A中所示的大致柱形单件式生钻头本体130可以根据需要机械加工或成形。例如和非限定的，大致柱形单件式生钻头本体130的端部外径可以减小，以便形成图4B中所示的成形单件式生钻头本体132。例如，大致柱形的单件式生钻头本体130可以在车床上进行车削，以便形成成形单件式生钻头本体132。大致柱形的单件式生钻头本体130可以根据需要进行另外的机械加工或成形。在另外的方法中，大致柱形的单件式生钻头本体130可以在车床上进行车削，以便保证单件式生钻头本体130为基本柱形，而并不减小它的端部的外径或以其它方式改变单件式生钻头本体130的形状。
然后，图4B中所示的成形单件式生钻头本体132可以部分烧结，以便提供图4C中所示的半成品钻头本体134。半成品钻头本体134可以再根据需要机械加工，以便形成与图3H中所示的前述成形整体式半成品钻头本体126基本相同的结构。例如和非限定的，纵向孔40和内部流体通道42(图3H)可以通过例如利用机械加工处理而形成于半成品钻头本体134(图4C)中。也可以在半成品钻头本体134(图4C)中机械加工用于PDC切刀34的多个凹部36。而且，可以在半成品钻头本体134(图4C)中机械加工设置成用于将钻头本体72安装在杆20上的至少一个表面78(图3H)。
在图4C中所示的半成品钻头本体134已经机械加工为形成与图3H中所示的成形单件式半成品钻头本体126基本相同的结构之后，该结构可以进一步烧结成合适的最终密度，且某些附加特征可以根据需要在完全烧结的结构中机械加工，以便提供图3I中所示的钻头本体72，如前所述。
在另外的实施例中，钻头本体72可以利用普通的渗透处理而形成。例如，各自包括硬材料(例如碳化钛、二硼化钛等)的多个颗粒可以定位在石墨模具(或者由任意其它耐火材料形成的模具)的空腔区域中，该石墨模具设置成形成钻头本体的第一区域74。预成形的元件或置换件(它们可以包括陶瓷部件、石墨部件或树脂涂覆砂压紧部件)可以布置在模具中，并用于确定内部通道42、切割元件凹部36、排屑槽36以及钻头本体12的其它外部或内部形态特征。而且，预成形的元件或置换件可以定位在石墨模具的空腔区域中，该石墨模具设置成形成钻头本体72的第二区域。
钛或钛基合金基体材料可以熔融、灌注至模具空腔中，并使得渗透至包括硬材料的颗粒中，以便形成钻头本体72的第一区域74。模具和局部形成的钻头本体可以冷却，以便使熔融的基体材料固化。预先定位在石墨模具(该石墨模具设置成形成钻头本体72的第二区域)的空腔区域中的预成形元件或置换件可以从模具空腔中取出，另一预形成元件或置换件可以定位在石墨模具的、与内部纵向孔40相对应的空腔区域中。然后，钻头本体的第二区域76可以以与前面对于第一区域74所述基本类似的方式来形成。当钻头本体72的第二区域76将包括钛或钛基合金材料(而没有任何硬相区域或颗粒)时，钛或钛基合金材料可以简单地熔融和灌注至模具空腔中，而并不向模具空腔预先装入或充装硬颗粒。
一旦钻头本体72冷却，钻头本体72就可以从模具中取出，且任意置换件也可以从钻头本体72中取出。可能需要毁坏石墨模具以便取出钻头本体72。
图3I中所示的钻头本体72的至少一部分可以根据需要进行一个或多个热处理过程(即热处理)，以便精制或调节钻头本体72的材料的微观结构，并使得钻头本体72的材料具有一个或多个所需的物理特性(即增大的强度、硬度、断裂韧性等)。例如和非限定的，钻头本体72的至少一部分可以退火，以便增大或以其它方式选择地调节钻头本体72的断裂韧性。通常，钛合金可以退火以便增大断裂韧性、在室温下的延展性、尺寸和热稳定性以及抗蠕变性。用于任意退火处理的时间和温度取决于要退火的特殊钛合金和希望使材料具有的微观结构和物理特性，且用于确定使得材料具有这样的微观结构和物理特性的合适退火时间和温度的总体过程为本领域普通技术人员公知。
作为另一实例，包括α+β合金、β合金或亚稳定β合金的钻头本体72的至少一部分可以根据需要进行溶液处理(ST)或溶液处理和老化(STA)，以便精炼或调节钻头本体72的材料的微观结构，并使得钻头本体72的材料具有一个或多个所需的物理特性(例如增大强度)。通常，钛基合金可以通过将钛基合金加热至接近(稍微高于或稍微低于)βtransus温度(例如在大约690℃和大约1060℃之间)的溶液温度在大约四分之一小时至大约两小时之间而进行溶液处理，以便使得相在溶液温度下平衡。然后，材料可以利用空气和/或水而从溶液温度淬火(即快速冷却)至室温。通过淬火，包括高温(β)相的至少一些区域可以以亚稳定、不平衡的状态捕获或保存在钛基合金材料的微观结构中。通过老化，这些亚稳定、不平衡相的至少一部分可以分解成稳定和平衡的相。溶液处理的钛基合金在低于溶液温度的温度下(大致在大约390℃和大约760℃之间)老化，持续时间为从大约两小时直到几百小时。再有，用于任意溶液处理和/或老化处理的时间和温度取决于进行处理的特殊钛合金以及希望使材料具有的微观结构和物理特性，且用于确定使得材料具有这样的微观结构和物理特性的合适处理时间和温度的总体过程为本领域普通技术人员公知。
通常，当钛合金进行氧化时，任意热处理可以在控制的惰性环境中进行。
也可选择，在钻头本体72根据需要进行热处理之前或之后，钻头本体72的外表面的至少一部分可以进行氮化，这可以增大在钻头本体72的、暴露的地层接合表面处的颗粒基体复合材料15的硬度和/或耐磨性。例如和非限定的，钻头本体72可以利用等离子体氮化处理而在等离子体腔室中进行氮化。用于进行钛和它的合金的等离子体氮化的处理温度在从大约425℃至大约725℃的范围内变化，最佳温度取决于特定材料组分和其他参数。在钻头本体72的外表面上的任意氧化钛可以在氮化之前除去。例如和非限定的，钻头本体72的外表面可以在包括氮气和氢气的混合物(例如在大约20％和大约60％容积之间的氮气)的气体中在例如从几毫帕至几千帕或更大的压力范围内氮化，且持续时间为例如从几分钟至几小时或更多。
在另外的方法中，钻头本体72的暴露地层接合表面的选定区域可以利用激光氮化处理来氮化。例如和非限定的，钻头本体72的外表面可以通过利用强脉冲离子束辐射在室温下照射钻头本体72表面来氮化，这将使得大部分材料的物理特性保持基本无影响。这样的照射例如可以在包括氮气的气体中在真空条件下(例如在压力小于大约0.02帕的情况下)进行。
再参考图2，杆20可以通过在杆20和钻头本体72的第二区域76的表面14之间的间隙中提供硬钎焊材料26(例如银基或镍基金属合金)而安装在钻头本体72上。作为硬钎焊的代替方式或者除了硬钎焊，可以环绕旋转钻头70在它的外表面上沿在钻头本体72和钢杆20之间的交界面提供焊缝24。硬钎焊材料26和焊缝24可以用于将杆20固定在钻头本体72上。
在另外的方法中，除了或代替硬钎焊材料26和焊缝24，提供机械干涉的结构或特征可以用于将杆20固定在钻头本体72上。下面将参考图2和图5-7介绍将杆20安装在钻头本体72上的方法。参考图5，两个孔21可以穿过杆20来提供，如前面对于图2所述。各孔21的尺寸和形状可以设置成在其中接收保持部件46(图2)。例如和非限定的，各孔21可以有基本柱形截面，并可以沿轴线L₂₁穿过杆20延伸，如图6中所示。各孔21在杆20中的位置和方位可以为这样，即各轴线L₂₁处于与钻头70的纵向轴线L₇₀基本垂直的平面中，但是并不与钻头70的纵向轴线L₇₀交叉。
当保持部件46穿过杆20的孔21和槽16插入时，保持部件46可以沿接触线在槽16内抵靠钻头本体72的第二区域76的表面(当槽16具有包括局部环面的角形截面的形状时，如图3I和3J所示)。不过，当槽16的形状为基本形成局部柱形时，保持部件46可以抵靠钻头本体72的第二区域76的表面上的、在槽16内的区域。
在一些实施例中，各保持部件46可以固定在杆20上。例如和非限定的，当各保持部件46包括细长柱形杆时，如图2中所示，各保持部件46的端部可以沿在各保持部件46的端部和杆20之间的交界面而焊接在杆20上。在另外的实施例中，硬钎焊或钎焊材料(未示出)可以布置在各保持部件46的端部和杆20之间。在还一实施例中，螺纹可以布置在各保持部件46的各端的外表面上，且配合的螺纹可以布置在杆20的、在孔21内的表面上。
再参考图2，硬钎焊材料26(例如银基或镍基金属合金)可以布置在杆20和钻头本体72的第二区域76的表面14之间的基本均匀间隙中。可以环绕旋转钻头70在它的外表面上沿在钻头本体72和钢杆20之间的交界面提供焊缝24。焊缝24和硬钎焊材料26可以用于进一步将杆20固定在钻头本体72上。在该结构中，当钻头70在钻孔操作过程中位于井孔的底部时，如果在杆20和钻头本体72的第二区域76中的表面14之间的基本均匀间隙中的硬钎焊材料26以及焊缝24失效，保持部件46可以防止钻头本体72与杆20纵向分离，从而防止钻头72在井孔中的损失。
在将杆20安装在钻头本体72上的另外方法中，只有一个保持部件46或者超过两个保持部件46可以用于将杆20安装在钻头本体72上。在还一实施例中，在钻头本体72的第二区域76和杆20之间可以提供螺纹连接。当钻头本体72的第二区域76的材料组分可以选择为即使在完全烧结状态也有利于它的机械加工时，具有精确尺寸的螺纹可以机械加工在钻头本体72的第二区域76上。在另外的实施例中，在杆20和钻头本体72之间的交界面可以基本为锥形。而且，在杆20和钻头本体72之间可以提供收缩配合或压配合。
在钻头本体或钻地旋转钻头中使用的颗粒基体复合材料通常包括散布在整个铜基合金基体材料上的碳化钨颗粒或区域。铜合金通常有在大约16.0μm/m℃和22.0μm/m℃之间的线性热膨胀系数(CTE)(在室温下)，碳化钨通常有在大约4.0μm/m℃和7.5μm/m℃之间的线性热膨胀系数，且包括散布在整个铜基合金基体材料上的碳化钨颗粒或区域的普通颗粒基体复合材料通常有在大约12.0μm/m℃的线性热膨胀系数(利用Turner方程来估计)。不过，用于普通渗透方法中的石墨模具和预成形元件(或置换件)通常有在大约1.2μm/m℃和8.2μm/m℃之间的线性热膨胀系数。由于在石墨模具和普通颗粒基体复合材料之间的热膨胀系数不同，使用渗透方法形成的普通颗粒基体复合材料钻头本体可能在形成钻头本体后有在颗粒基体复合材料中的很大的残余应力。这些应力在钻头本体的、邻近石墨模具和/或预成形元件(或置换件)的区域中相当严重，并可能导致在该区域中过早产生裂纹(例如在刀片30和/或排屑槽32处或附近的区域，图2；邻近切刀凹部36的区域，图2；邻近内部流体通道42的区域等)。该裂纹可能导致旋转钻头过早失效。
钛和钛基合金材料通常有在大约7.6μm/m℃和9.8μm/m℃之间的线性热膨胀系数，而碳化钛有大约7.4μm/m℃的线性热膨胀系数，二硼化钛有大约8.2μm/m℃的线性热膨胀系数。因此，包括散布在整个钛或钛基合金基体材料上的多个碳化钛和/或二硼化钛颗粒的颗粒基体复合材料可以有在大约7.5μm/m℃和9.5μm/m℃之间的线性热膨胀系数。因此，这里所述的颗粒基体复合材料可以有与石墨模具(或包括任意其它耐火材料的模具)(钻头本体可以使用该颗粒基体复合材料而在该石墨模具中铸造)的线性热膨胀系数基本相等或小于大约两倍的线性热膨胀系数。因此，通过使用这里所述的颗粒基体复合材料来形成各钻地旋转钻头的钻头本体，由于在材料和模具之间的热膨胀系数的不匹配而在该钻头本体中形成的残余应力可以减小或去除，包括该钻头本体的旋转钻头的性能可以相对于目前已知的钻头提高。
此外，钛和钛基合金可以与普通的铜和铜基合金(该铜和铜基合金用于普通钻地旋转钻头的钻头本体的颗粒基体复合材料中)相比有提高的抗腐蚀性，这可以进一步提高包括由这里所述的材料形成的钻头本体的旋转钻头的性能(与普通的钻地旋转钻头相比)。
前面所述和图1中所示的钻头本体12可以利用这里相对于图2所示的钻头本体72的任一方法基本类似的方法来形成(包括渗透方法以及粉末压制和烧结方法)。
在图2所示的实施例中，钻头本体72包括两个具有材料组分的不同区域，且在它们之间有可识别的边界或交界面。在另外的实施例中，钻头本体72的材料组分可以在钻头本体72内的区域之间连续变化，这样，在区域之间没有很容易识别的边界或交界面。在另外的实施例中，钻头本体72可以包括超过两个具有材料组分的区域，且在钻头本体72中具有材料组分的多个区域的空间位置可以变化。
图7表示了实施本发明教导的另外钻头本体150。钻头本体150包括第一区域152和第二区域154。最好如图8的钻头本体150的剖视图中所示，在第一区域152和第二区域154之间的交界面可以大体上沿着第一区域152的外表面的形态。例如，交界面可以包括与刀片30和排屑槽32相对应的多个纵向延伸脊156和凹入部分158，这些脊156和凹入部分158可以布置在钻头本体150的外表面上或外表面中。在该结构中，当在钻孔操作过程中力矩施加在包括钻头本体150的钻头上时，在钻头本体150上的刀片30可以更不容易断裂。
图9表示了实施本发明教导的还一钻头本体160。钻头本体160也包括第一区域162和第二区域164。第一区域162可以包括钻头本体160的纵向底侧区域，第二区域164可以包括钻头本体160的纵向上侧区域。而且，在第一区域162和第二区域164之间的交界面可以包括多个径向延伸的脊和凹入部分(未示出)，这些脊和凹入部分使得钻头本体160在钻孔操作过程中当力矩施加在包括钻头本体160的钻头上时不容易沿交界面断裂。
尽管这里对于包括固定切刀的同心钻地旋转钻头的实施例介绍了本发明，但是其它类型的钻地钻孔工具(例如，取芯钻头、偏心钻头、双中心钻头、钻扩器、铣刀、刮刀钻头、牙轮钻头及本领域已知的其它这种结构)可以实施本发明的教导并且可以由实施本发明教导的方法来形成。因此，如这里所述，术语“钻头”包括和包含前述所有的结构。
尽管这里已经对于特定的优选实施例介绍了本发明，但是本领域的普通技术人员应当知道本发明不限于此。相反，在不脱离如后面要求保护的本发明范围的情况下，可以对优选实施例进行多种增加、删除和改变。另外，一个实施例的特征可以与另一个实施例的特征结合，同时仍然处于本发明范围内。而且，本发明可用于具有各种不同钻头外形及切刀类型的钻头和取芯钻头中。